Геофизические исследования углепородного массива на площади выемочного столба, проводимые с целью уточнения геологического строения, выявления нарушений, выбросоопасных зон, мест ослабленной непосредственной кровли или тяжелой основной кровли, предоставляют незаменимую информацию для безопасного ведения горных работ. Определение точной локализации геологических нарушений до начала отработки выемочного столба позволяет значительно повысить уровень промышленной безопасности, так как позволяет более детально спланировать ведение горных работ по выемке угля, организовать при необходимости упрочнение (разупрочнение) углепороднего массива, повысить полноту извлечения запасов, а в случае непереходимого нарушения комплексно-механизированным очистным забоем предусмотреть его демонтаж до нарушения и монтаж очистного оборудования за нарушением. Кроме того, выявление выбросоопасных зон позволяет провести локальную дегазацию пласта до ведения очистных работ, что кроме повышения промышленной безопасности позволит увеличить среднемесячную нагрузку на очистной забой, и получить экономический эффект.
Виды применяемых геофизических методов
В этих целях применяются геофизические методы, основные из которых подразделяются на две группы: электроразведочные и сейсморазведочные методы. Электроразведочные методы характеризуются меньшими затратами на проведение работ, но относительно невысокой разрешающей способностью и точностью определения геологических элементов и аномалий. Эти методы обычно относят к так называемым экспресс-методам. Сейсморазведочные методы имеют гораздо более высокие возможности по точности определения особенностей геологического строения углепородного массива, но являются значительно более трудозатратными и дорогостоящими. Некоторые из электроразведочных методов позволяют провести исследование о состоянии горного массива только вблизи определённых выработок, оставляя за кадром состояние протяжённого массива между выработками. К таким методам можно отнести, например, метод, основанный на регистрации естественных электромагнитных импульсов, применяемый для оценки и прогноза напряжённо-деформированного состояния (НДС) пород массива. При этом если данные методы используются для оценки состояния массива всего выемочного столба, то внутри него геофизическое поле интерполируется исходя из значений вдоль выработок исследования, находящихся по контуру выемочного участка. Электроразведочные методы (методы электрической коррекции, индукционного просвечивания, радиоволнового просвечивания), позволяющие получать данные о строении массива не только вдоль выработок, но и во внутреннем объёме выемочного столба, предоставляют больше объективной информации, но имеют некоторые ограничения и недостатки:
1) качество и точность выделения полезного сигнала на фоне помех сильно зависит от реализации той или иной аппаратуры, и методика выделения таких данных зачастую опирается на недостаточно изученные явления и процессы;
2) точность определения элементов геофизического поля максимальна вблизи выработок исследования и существенно снижается при удалении от них вглубь массива.
К достоинствам электроразведочных методов, как уже было сказано, безусловно, можно отнести относительно низкие трудозатраты, стоимость и сроки выполнения работ.
Сейсморазведочные методы менее зависимы от вида аппаратуры, потому как требуется лишь запись во времени величины механических колебаний (ускорения частиц среды в точке приема), с чем большинство сейсмических регистраторов ввиду простоты явления справляются почти одинаково.
Метод сейсмопросвечивания
Среди сейсморазведочных методов, применяемых в угольных шахтах для уточнения горно-геологического прогноза, можно выделить метод сейсмопросвечивания на проходящих волнах, метод отражённых волн (МОВ), метод отражённых волн в модификации ОГТ (общей глубинной точки) — МОВ-ОГТ, метод преломлённых волн (МПВ). Последние методы (МОВ, МОВ-ОГТ, МПВ) ограниченно используются для решения некоторых специальных задач, таких как выделение и локализация отдельных неоднородностей и границ, а также как вспомогательные методы. Наиболее же эффективным методом для определения геомеханических свойств и зон аномального геологического строения угольных пластов, а также кровли и почвы не зависимо друг от друга, является метод сейсмического просвечивания (сейсмотомографии) между различными выработками [1]. С учётом проведения обследования массива в условиях незначительных механических помех (промышленных шумов), используя специальное ударное устройство весом 8–10 кг, высокочувствительные датчики и приёмно-регистрирующую аппаратуру, данный метод позволяет уверенно просвечивать очистные забои длиной до 300 м с разносами ПП-ПВ (пункт приёма и пункт возбуждения сигнала) максимум до 500 м. Качество детализации результата обследования выемочного столба (горизонтального сейсмотомографического разреза) определяются эффективностью выбора схемы исследования — при достаточно равномерном покрытии лучами ПП-ПВ площади исследуемого участка (рис. 1) точность выявления геологических аномалий остаётся почти неизменной на всем протяжении просвечиваемой части и соизмерима с шагом расстановки ПП и ПВ (10–12 м).
Рис. 1. Схема покрытия лучами проходящих волн обследуемого участка лавы на одном из объектов работы, где ПП-пункты приема, ПВ — пункты возбуждения
Теоретические основы сейсмических методов используют уравнение распространения упругих волн в среде:
где u(x, y, z, t) — вектор смещения в точке (x, y, z) в момент времени t, ρ — плотность среды. Параметры λ, μ — постоянные Ламе — выражаются через другие чаще используемые параметры — модуль Юнга (E) и коэффициент Пуассона (σ) через соотношения:
Модуль Юнга и коэффициент Пуассона определяют упругие свойства среды, поэтому эти параметры могут также рассчитываться и использоваться при обработке и интерпретации результатов, полученных по методу сейсмопросвечивания. Волновое поле — решение уравнения (1) — представляется двумя составляющими: потенциальным вектором смещения up и вихревым us, так что 
и 
. Поэтому
где
— скорости продольной и поперечной волн соответственно. Соотношения (2) и (4) устанавливают связь между скоростными и упругими свойствами физической среды.
Скорости продольных и поперечных волн различаются преимущественно в 1,7–2,2 раза для пород, входящих в углепородный массив шахты. Важно также учитывать, что возбуждаемая в одной точке стенки пласта волна, частично выходит во вмещающие породы, а другая её часть продолжает распространяться по угольному пласту как волноводу. В итоге на сейсмограммах можно увидеть волновую картину, соответствующую рассмотренным выше теоретическим положениям. На рисунке 2 представлены две сейсмограммы общего пункта возбуждения (ОПВ), полученные со смежных ПВ, выделяются продольная Pув и поперечная Sув волны, распространяющиеся по вмещающим породам.
Рис. 2. Полевые сейсмограммы ОПВ
Каналовая волна, распространяющаяся по угольному пласту, обладает более низкой скоростью и регистрируется на большем времени, в связи с чем интерферирует с волнами, пришедшими ранее (по вмещающим породам) [1]. Поэтому для выделения каналовой волны используется частотно-повышающая процедура, ослабляющая импульсы волн, приходящих по вмещающим породам, известная как предсказывающая деконволюция [2], [3]. Пример выделения каналовой волны представлен на рисунке 3, где помимо приходящих по вмещающим породам волн выделяется продольная каналовая волна F, прошедшая по угольному пласту и отличающаяся от них меньшей скоростью прохождения и более высокой несущей частотой.
Рис. 3. Обработанные сейсмограммы ОПВ
Рис. 4. Горизонтальный сейсмотомографический разрез по значениям скорости продольной волны Pув
Пример обработки продольной волны, проходящей по углевмещающим породам (кровле), представлен на рисунке 4. В результате обработки сейсмических данных было выделено и локализовано разрывное нарушение, а также участки ослабления пласта и кровли, многие из которых оказались связаны с призамковыми частями тектонического нарушения.
Независимо от продольной волны Pув обрабатываются годографы поперечной и каналовой волн. При необходимости близкие годографы проходящих по кровле и почве волн разделяются и строятся независимые друг от друга сейсмотомографические разрезы для кровли и почвы пласта в тех случаях, когда не достаточно только общей оценки состояния углевмещающих пород. Далее строятся совмещённые горизонтальные разрезы распределения значений модуля Юнга и коэффициента Пуассона, характеризующие упругие свойства кровли и почвы пласта и отражающие аномалии геологического строения.
Резюмируя сказанное, главными преимуществами метода сейсмического просвечивания в сравнении другими геофизическими методами исследования углепородного массива в угольных шахтах являются:
- Чёткое разделение свойств пласта и углевмещающих пород по различным типам волн, распространяющимся в соответствующих средах не зависимо друг от друга.
- Высокая точность определения аномалий геологического строения, сопоставимая с шагом расстановки ПП-ПВ (10–12 м) на всём протяжении обследуемого участка как вблизи выработок обследования, так и в глуби горного массива даже при работе с длинными очистными забоями до 300 м.
- Определение упругих свойств (модуля Юнга и коэффициента Пуассона) пород, объективно характеризующих их геомеханическое состояние в исследуемом массиве.
- Высокая достоверность исходных данных — вступления основных полезных волн просматриваются даже без сложной обработки и видны на полевых сейсмограммах.
Литература:
- Сейсмоакустический метод прогноза горно-геологических условий эксплуатации угольных месторождений / Н. Я. Азаров, Д. В. Яковлев. — М.: Недра, 1988.
- Сейсморазведка / Боганик Г. Н., Гурвич И. И. — Тверь: Издательство АИС, 2006–744 с.
- Обработка сейсмических данных. Теория и практика: Пер. с англ. / Хаттон Л., Уэрдингтон М., Мейкин Дж. — М.: Мир, 1989. — 216 с.
